一种应用于叶轮流动控制的仿生组合结构

技术领域

本发明涉及风机技术领域，尤其涉及了一种应用于叶轮流动控制的仿生组合结构。

背景技术

在风机领域，风机运行过程中不可避免的产生噪音，如何不损失性能的情况下，降低噪音是一直努力的方向。噪音在叶片上的产生往往伴随着湍流、乱流、叶顶泄露流等等，主要集中在叶片顶部、叶片前缘、叶片尾缘等，在叶片顶部因为存在叶顶间隙，不可避免的存在泄露流，使得噪音的产生，如何减少泄露流使得气流流动顺畅是一个问题；在叶片前缘后尾缘位置也会产生较大的湍流、分离流等，在叶片旋转、共振等其他问题的促进下，使得噪音加速产生，此外这些不被期望的二次流动不仅产生噪音，也对风机的其他性能造成负面影响。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明设计了一种应用于叶轮流动控制的仿生组合结构。

本发明采用如下技术方案：

一种应用于叶轮流动控制的仿生组合结构，包括叶片上类贝壳纹褶皱结构、叶顶类鸟头结构或叶片上类鲸鱼皮沟槽结构的一种或多种，三种结构根据不同流动控制需要，单独或组合应用于风叶。

作为优选，所述叶片上类贝壳纹褶皱结构设置于叶片尾缘位置，叶顶类鸟头结构设置于风叶叶顶位置，叶片上类鲸鱼皮沟槽结构设置于叶片前缘位置。叶片上类贝壳纹褶皱结构包括但不仅限于应用在叶片尾缘位置，叶顶类鸟头结构一般应用于叶轮叶顶位置，叶片上类鲸鱼皮沟槽结构包括但不仅限于应用在叶片前缘位置，三种结构可以单独应用于叶轮，也可以多个组合应用于叶轮。

作为优选，所述叶片上类贝壳纹褶皱结构属于立体结构，在横向和纵向平面上具有波浪形状，自然过渡至叶片周边，形成类贝壳纹褶皱的凹凸不平的表面。

作为优选，所述叶片上类贝壳纹褶皱结构是波浪形状结构，其典型的波浪形状是在横向和纵向上的波浪形状满足正弦曲线公式

作为优选，所述叶片上类贝壳纹褶皱结构的典型的波浪形状在横向和纵向上，由一个正弦曲线公式控制或由多个不同正弦曲线公式各自控制一段曲线，最后一个或多个不同正弦曲线公式控制的波浪光滑过渡成一根完整波浪曲线。

作为优选，所述叶顶类鸟头结构属于立体结构，位于风叶叶顶，具有从风叶压力面弯向吸力面的翻边，呈类鸟头形状。

作为优选，所述叶顶类鸟头结构在风叶叶尖与前缘圆滑过渡，叶尖圆滑段到翻边初始位置最大弦向距离为a，

作为优选，所述叶顶类鸟头结构的翻边结尾处到翻边尾巴最远处的径向距离为b，

作为优选，所述叶顶类鸟头结构的由压力面向吸力面的翻边最大折弯高度为 h,

作为优选，所述叶顶类鸟头结构在叶尖到翻边初始处上截面最大厚度为Tmax，

作为优选，所述叶片上类鲸鱼皮沟槽结构为条状沟槽，根据风叶流动特性情况，条状沟槽的沟截面半径、凹坑深度、沟槽间距、沟槽数量、长短、分布方式因需要而调整。

作为优选，所述叶片上类鲸鱼皮沟槽结构的条状沟槽截面为圆的一部分圆弧，最大圆弧半径为

作为优选，所述叶片上类鲸鱼皮沟槽结构的条状沟槽最大凹坑深度为t，

作为优选，所述叶片上类鲸鱼皮沟槽结构的条状沟槽最大间距为c，

作为优选，所述叶片上类鲸鱼皮沟槽结构的条状沟槽最大数量为n，n∈(0，50)。

作为优选，所述叶片上类鲸鱼皮沟槽结构的条状沟槽最长为L，

作为优选，所述叶片上类鲸鱼皮沟槽结构的条状沟槽分布方式为多条沟槽呈一列分布方式或多条沟槽呈多列交替分布方式或多条沟槽呈多列同行分布方式。叶片上类鲸鱼皮沟槽结构的条状沟槽分布方式包含但不仅限于三种典型方式。

本发明的有益效果是：该仿生结构可应用于多个类型叶轮中，包括但不限于等壁厚叶轮、机翼型叶轮，轴流叶轮、离心叶轮等。根据前述仿生结构的说明与要求，叶片上类贝壳纹褶皱结构、叶顶类鸟头结构、叶片上类鲸鱼皮沟槽结构的其中一种或者多种组合方式应用于叶轮结构设计中，可以有效降低叶轮产生的噪音，提高叶轮工作效率。本发明在实际应用过程中已取得预期效果，可以在不同尺寸大小、不同应用场合、不同工作方式等方面有效应用。

附图说明

图1是叶片尾缘线展成直线示意图。

图2是叶片上类贝壳纹褶皱结构的几种典型曲线示意图。

图3是叶顶类鸟头结构的叶轮叶顶示意图。

图4是叶顶类鸟头结构的叶轮叶顶截面示意图。

图5是叶片上类鲸鱼皮沟槽结构的示意图。

图6是叶片上类鲸鱼皮沟槽结构的沟槽分布方式示意图。

图7是仿生组合结构典型应用于叶轮上第一种结构示意图。

图8是图7中叶片部分的一种局部示意图。

图9是仿生组合结构典型应用于叶轮上第二种结构示意图。

图10是图9中叶片部分的一种局部示意图。

图11是图9中叶片部分的一种局部示意图。

图12是仿生组合结构典型应用于叶轮上第三种结构示意图。

图13是图12中叶片部分的一种局部示意图。

图14是图12中叶片部分的一种局部示意图。

图中：1-叶片尾缘线；2-尾缘线展成的直线；3-叶尖圆滑段；4-翻边横向折弯距离；5-翻边纵向折弯高度；6-叶尖截面最大厚度；7-翻边末尾截面最小厚度；8-凹坑深度； 9-多条沟槽直列分布；10-多条沟槽多列交替分布；11-多条沟槽多列同行分布；12-等壁厚离心叶轮；13-机翼型离心叶轮；14-机翼型单面褶皱离心叶轮；15-等壁厚轴流叶轮；16-机翼型轴流叶轮；17-机翼型单面褶皱轴流叶轮；18-叶片上类贝壳纹褶皱结构； 19-叶顶类鸟头结构；20-叶片上类鲸鱼皮沟槽结构。

具体实施方式

下面通过具体实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步的具体描述：

实施例：如附图1至图7所示，一种应用于叶轮流动控制的仿生组合结构，包括叶片上类贝壳纹褶皱结构、叶顶类鸟头结构或叶片上类鲸鱼皮沟槽结构的一种或多种，三种结构根据不同流动控制需要，单独或组合应用于风叶。

叶片上类贝壳纹褶皱结构设置于叶片尾缘位置，叶片上类贝壳纹褶皱结构属于立体结构，在横向和纵向平面上具有波浪形状，自然过渡至叶片周边，形成类贝壳纹褶皱的凹凸不平的表面。叶片上类贝壳纹褶皱结构是波浪形状结构，其典型的波浪形状是在横向和纵向上的波浪形状满足正弦曲线公式

叶片上类贝壳纹褶皱结构18是根据贝壳外壳褶皱而设计，具有增加叶轮结构强度作用，具有流动导向作用，促进空气流动更加有序集中，减少不必要的流动等不利因素，具有抑制气体过早分离等作用，气体通过贝壳纹褶皱结构打破原来光滑表面的边界层，产生有利的湍流，抑制了气体分离，从而降低叶轮工作阻力，降低噪音的生成。在设计时，先将尾缘线1展开成尾缘线展成直线2，如图1所示，再根据需要按照图2的方式在横向和纵向平面上作出正弦曲线，图2中的曲线为典型曲线，以此为例，可以由一个正弦曲线公式控制，也可以由多个不同正弦曲线公式各自控制一段曲线，最后多个不同正弦曲线公式控制的波浪光滑过渡成一根完整波浪曲线，这是所需仿生贝壳褶皱的曲线生成方法。起始位置在P1～P4间任意处开始，再根据在叶轮上需要作出的褶皱范围生成曲面，可以在单独在压力面或者吸力面做褶皱，也可以两面都做褶皱，甚至可以一面褶皱面积大，一面褶皱面积小，最后褶皱生成后应与其余其他相接面光滑过渡，这是所需叶片上类贝壳纹褶皱结构的生成方法。

叶顶类鸟头结构设置于风叶叶顶位置，叶顶类鸟头结构属于立体结构，位于风叶叶顶，具有从风叶压力面弯向吸力面的翻边，呈类鸟头形状。叶顶类鸟头结构在风叶叶尖与前缘圆滑过渡，叶尖圆滑段到翻边初始位置最大弦向距离为a，

叶顶类鸟头结构19是根据太平鸟的鸟头而设计，具有增加叶轮叶顶强度的作用，具有减小叶顶流动阻力的作用，具有抑制叶轮叶顶泄漏流产生的作用，降低噪音的生成。太平鸟的鸟喙为尖头，在实际应用中叶轮叶尖处为安全起见，应圆滑不能出现尖角，如图3中叶尖圆滑段3，该仿生太平鸟鸟头的结构重要参数包括翻边初始处距离叶尖圆滑段最大距离为a，翻边折痕与尾缘交点处到翻边末尾最远处的翻边横向折弯距离4为b，由压力面向吸力面的翻边纵向折弯高度5为h，叶尖到翻边初始处上截面的叶尖截面最大厚度6为Tmax，翻边末尾截面最小厚度7为Tmin等应满足前述说明中的取值范围。

叶片上类鲸鱼皮沟槽结构设置于叶片前缘位置。叶片上类鲸鱼皮沟槽结构为条状沟槽，根据风叶流动特性情况，条状沟槽的沟截面半径、凹坑深度8、沟槽间距、沟槽数量、长短、分布方式因需要而调整。叶片上类鲸鱼皮沟槽结构的条状沟槽截面为圆的一部分圆弧，最大圆弧半径为

叶片上类鲸鱼皮沟槽结构20是根据鲸鱼腹部沟槽而设计，具有流动导向的作用，具有抑制气流过早分离，具有控制叶轮变形方向、幅度的作用，提高叶轮工作效率，降低噪音的生成。如图5和图6，叶片上类鲸鱼皮沟槽结构为条状沟槽，根据叶轮流动特性情况，条状沟槽因需要而调整，其沟截面半径、凹坑深度、沟槽间距、沟槽数量、长短、分布方式等不一。该结构重要参数包括条状沟槽截面为圆的一部分圆弧，最大圆弧半径r，条状沟槽最大凹坑深度t，条状沟槽最大间距c，条状沟槽最大数量n，条状沟槽最长L等应满足前述说明中的取值范围。叶片上类鲸鱼皮沟槽结构的条状沟槽分布方式包含但不仅限于三种典型方式：多条沟槽直列分布9、多条沟槽多列交替分布10和多条沟槽多列同行分布11。

以上所述仿生结构可以单独应用，也可以多结构组合应用，可以应用于等壁厚的轴流或者离心叶轮，也可以应用于机翼型的轴流或者离心叶轮，可以在机翼型的轴流或者离心叶轮上单面应用，也可以双面应用。

如图7-14是几种较为典型的组合和应用方案，对应的名称为等壁厚离心叶轮12、机翼型离心叶轮13、机翼型单面褶皱离心叶轮14、等壁厚轴流叶轮15、机翼型轴流叶轮16、机翼型单面褶皱轴流叶轮17。

以上所述的实施例只是本发明的一种较佳的方案，并非对本发明作任何形式上的限制，在不超出权利要求所记载的技术方案的前提下还有其它的变体及改型。